池商林1,夏绍灵1,2*,彭 进1,邹文俊1,张琳琪1
(1·河南工业大学材料科学与工程学院,郑州 450007; 2·郑州大学材料科学与工程学院,郑州 450007)
摘要:本研究采用聚氨酯与环氧树脂(PU/EP)作为胶黏剂形成互穿网络(IPN),以无机磨料和稀土抛光剂 为分散相,通过一定的成型工艺制备成复合抛光材料。通过固化前后的红外光谱,分析了PU、EP两者之间的 反应;热重分析表明PU/EP IPN复合抛光材料的耐热性能比纯的PU和EP有显著提高;体视显微镜照片显示 该复合抛光材料具有微孔结构;力学及应用性能研究显示当胶黏剂含量为25%时性能最佳;且在PU/EP=2 时,抛光后的玻璃透光率保持原有的97%,且耐磨性得到大幅度提高。
关键词:聚氨酯;互穿网络;抛光材料
聚氨酯具有优异的弹性和耐磨性,并且根据原料不同和配方变化,可制成软质、半硬质、硬质系列材 料,故可通过添加无机抛光磨料,经过一定的成型工艺,制备成抛光材料,应用于光学零件、玻璃制造、汽 车生产、机械加工、木工及五金业等各个行业[1~4]。由于聚氨酯的机械强度不高,限制了其在高速抛光材 料中的应用。随着互穿聚合物网络(IPN)技术的发展,有学者对PU/EP IPN结构进行了研究,以期望提 高PU的机械强度和改善EP的韧性,并探讨其作为功能材料的可能性[5~7]。而PU/EP IPN结构应用于 抛光材料的研究尚未见报道。本研究采用PU/EP IPN结构作为基体材料,添加磨料和稀土抛光剂,通 过浇注成型制备了复合抛光材料,并通过多种检测手段对其结构和性能进行了分析。
1 实验部分
1·1 原材料 甲苯二异氰酸酯(TDI) :工业级,德国Bayer公司;聚醚多元醇(N220):南京杰拉华聚氨酯有限公 司;环氧树脂,湖南省岳阳巴陵石化化工公司;无机磨料(FX),郑州玉发磨料有限公司;稀土抛光剂 (WG)、固化剂(KC),市售。
1·2 样品制备
1·2·1 聚氨酯预聚体的制备 将聚醚多元醇(N220)加入备有搅拌器、测温头、真空接口的三口烧瓶中 搅拌升温至100℃,先抽真空2h,降温至50℃后卸真空,并加入TDI,再快速搅拌,待温度稳定后,升温并 控制为80℃,反应2h得到PU预聚体。
1·2·2 PU/EP IPN抛光材料样品的制备 首先将自制的聚氨酯预聚体和环氧树脂按质量比为2∶1的 比例混合,加入固化剂(KC),搅拌均匀。再将磨料和稀土抛光剂按表1的比例加入并充分搅拌均匀,浇 注到模具中,最后加热固化成型。
1·3 分析与测试 红外光谱,采用日本岛津公司的IRPrestige-21型傅里叶红外光谱仪进行测试。热失重(TG)分析 空气气氛,升温速率10℃/min,北京天平仪器厂。显微结构,采用德国蔡司体视显微镜Stemi-2000C进 行观察。冲击强度,测定常温下的无缺口试样冲击强度,冲击性能按GB/T 1843-2008标准测试,悬臂梁 冲击试验机XJ-300A,吴忠材料试验机有限公司。材料抛光性能,采用YR-2000卧式直线玻璃磨边机 上海银瑞精密机械有限公司。玻璃透光率采用722光栅分光光度计测定,无锡建仪实验器材有限公司。
2 结果与讨论
2·1 红外光谱分析 将聚氨酯预聚体、环氧树脂、固化剂(KC)混合均匀,涂覆在KBr片上,然后进行未固化、固化20min、 完全固化三组进行对比实验。
由图1可以看出,曲线a和曲线b中位于3473cm-1和3359cm-1的两个特征峰是固化剂上的-NH2 的伸缩振动产生的,而曲线c中只剩下位于3369cm-1处的一个峰,这是因为-NH2和-NCO反应生成仲 胺。当试样未进行固化时,在2269cm-1处有很强的异氰酸酯基(-NCO)特征峰,固化20min后其特征峰 就相应减弱,当完全固化时,该处特征峰消失。这说明胶黏剂中聚氨酯的异氰酸酯基反应完全。在 917cm-1处为环氧基的特征峰,同样在试样未固化时,有较强的吸收峰,固化20min后其吸收峰相应减 弱,当完全固化时,该处吸收峰消失。这说明聚合物中的环氧基反应完全。从特征峰消失的情况与时间 的比较来看,加热固化情况下,其反应速度还是比较快的。
2·2 热重分析
为了考察以PU/EP IPN互穿网络作为基体材料的复合抛光材料的耐热性能,采用DTA-TG同步热 分析仪对其进行了热性能分析。由图2可知,纯EP和纯聚氨酯耐热性能较差,而具有PU/EP IPN结构 的试样的热稳定性比纯EP和纯PU明显提高,这主要表现在:PU/EP IPN试样的初始分解温度比纯EP 高40℃,比纯PU高出25℃;另外PU/EP IPN试样的热失重率明显降低。这是由于互穿作用导致了两 组份间强迫共容,复合体系交联密度增加,两网络产生协调效应,从而使IPN的热稳定性能均得到提高, 与之前文献报道结果一致[8]。
2·3 抛光材料的显微结构 图3为不同胶黏剂含量的抛光材料在80倍体视显微镜下断面的显微结构,由图可见,磨料和稀土抛 光剂在基体中分散均匀,结合也较为紧密,二者相容性好。此外,样品结构较为疏松,存在大量气孔,气孔 结构适宜,气孔在抛光的过程中起到散热、减震和排屑的作用,有利于抛光过程的进行,提高抛光效率。 在一定范围内,由图a和图b比较可知,随着胶黏剂含量的增大,所制备材料的气孔孔径减小,数目增多。
2·4 抛光材料力学机械性能
2·4·1 不同胶黏剂含量对材料性能的影响 抛光磨具的机械性能与多种因素有关,其中胶黏剂(即连 相)的含量是重要影响因素之一。实验中制备了胶黏剂含量分别为19%、22%、25%、28%、31%的试样 对其冲击性能进行了测试。
由图4可以看出,试样的冲击强度随着胶黏剂的含量的增加先增大后减小,在胶黏剂含量为25% 冲击强度达到最高值为47·1kJ·m-2,这证明聚氨酯的存在大大提高了环氧树脂的韧性。胶黏剂的含 进一步提高,其强度却有所下降。这是由于所制备的复合材料中的胶黏剂相为连续相,磨料和稀土抛 剂为分散相。胶黏剂的含量过低时,磨料难以分散均匀,且难以被连续相充分包裹,所以强度降低;而 黏剂含量过高时,分散相的浓度偏低,复合效应不明显,起不到增强作用。因此只有在分散相和连续相 例适当时才具有最佳的复合效应。
2·4·2 PU/EP不同配比对材料性能的影响 根据最佳的胶黏剂含量为基准,通过调节PU/EP之间不
同配比,研究其对材料性能的影响。实验中制备了胶黏剂含量为25%,PU/EP之间的配比分别为10∶ 10、10∶8、10∶7、10∶6、10∶5、10∶4、10∶2的试样,对其冲击性能和硬度进行了测试。 由图5可见,PU/EP IPN结构复合抛光材料的冲击强度随着环氧树脂的加入量的增加而逐渐降低; 硬度则随着环氧树脂的加入量的增加,而逐渐提高。说明聚氨酯组分可以有效地提高环氧树脂的韧性。 但当环氧树脂加入量过多时,聚合物中刚性链段增加,柔性链段相对减少,同时PU/EP IPN复合体系交 联密度增加,使PU/EP IPN复合抛光材料变脆变硬,韧性下降。当PU/EP=2时,所制备的复合材料既 具有较高的冲击强度,又具有较高的硬度。
2·5 抛光材料的抛光性能 将PU/EP为2的比例所制备的抛光材料制成Ф150×100×70(25+10)规格的抛光磨具,使用Y -2000卧式直线玻璃磨边机,与意大利进口的BK120抛光轮进行了对比应用实验。加工玻璃为普通浮 法玻璃,厚度为8mm,采用722光栅分光光度计,测得其在500nm波长的可见光的透光率为87·6%。抛 光砂轮转速1800转/min,玻璃滑动速度为3m/min。结果如表2所示,采用自制的抛光轮抛光后玻璃的 透光率为85·0%,抛光后的玻璃透光率保持原来的97%,可加工玻璃长度达12000米,证明所制备的复 合材料的耐磨性能得到了大幅度提高。
3 结论 本研究制备了以PU/EP IPN结构为基体相、无机磨料和稀土抛光剂为分散相的复合抛光材料。红 外光谱分析显示所制备的聚合物中的环氧基反应完全。PU/EP基体材料的耐热性能得到显著提高,起 始分解温度比纯的PU提高25℃,比纯EP提高40℃。当胶黏剂含量达到25%时力学机械性能最佳。 以PU/EP=2的比例所制备抛光材料具有微孔结构,抛光性能优异,抛光后的玻璃透光率保持原来的 97%,使用寿命为进口同类产品的3倍,具有良好的应用前景。
参考文献:
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